谷電子學利用電子在動量空間中能谷的自由度作為信息載體，被認為是繼電荷和自旋之後的新型電子學方向。現有研究主要集中在鐵磁材料中通過打破時間反演對稱性實現能谷極化，但鐵磁材料易受外部磁場幹擾且存儲密度有限。相比之下，反鐵磁材料具有零淨磁矩、抗磁擾動性強、超高存儲密度和超快響應速度等優勢，但其空間反演與時間反演聯合對稱性往往抑制能谷極化與反常谷霍爾效應。因此，如何在反鐵磁材料中實現可控的能谷極化成為重要挑戰。近日，我院2023級物理學碩士研究生王一丁在反鐵磁材料中谷極化研究方面取得新進展，相關成果以“Multifield tunable valley splitting and anomalous valley Hall effect in two-dimensional antiferromagnetic MnBr”為題在發表在國際著名期刊Physical Review B，該論文以77779193永利為第一單位，王一丁為論文第一作者，學院兼職導師銅仁學院佘彥超教授，張蔚曦教授和西安交通大學李平副教授為共同通訊作者。
該工作預測單層反鐵磁材料MnBr具有自發谷極化特性。通過有效哈密頓量分析，其價帶頂在K和K′點處的谷劈裂為21.55 meV，源于Mn的d軌道貢獻。值得注意的是，盡管單層MnBr在整個動量空間中貝裡曲率為零，但其自旋層鎖定的貝裡曲率非零，為反常谷霍爾效應提供了條件。此外，谷劈裂的大小可通過應變、磁化方向旋轉、外電場以及内置電場顯著調控。外電場和内置電場通過打破空間反演對稱性誘導自旋分裂，從而實現自旋層鎖定的反常谷霍爾效應。更突出的是，鐵電襯底Sc₂CO₂可調控MnBr從金屬态轉變為谷極化半導體。這些發現不僅拓展了反常谷霍爾效應的實現途徑，還為設計低功耗、非易失性谷電子器件提供了新平台。
論文鍊接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.085432
圖1. 單層MnBr的貝裡曲率分布：(a) 自旋向上和(c) 自旋向下在整個布裡淵區範圍内的貝裡曲率；(b) 沿高對稱線的貝裡曲率（紅色和藍色線分别表示自旋向上和自旋向下的貝裡曲率）；(d) 谷層自旋霍爾效應示意圖（"+"符号表示空穴，向上和向下箭頭分别對應自旋向上與自旋向下的載流子）。
（審核責任人：伍建華）
